지연 재프로그램을 활용한 3D 낸드 플래시 메모리 성능향상 기법

Abstract

최근 데이터 센터, 클라우드 서비스 등과 같은 데이터 집약적인 응용들의 등장으로 고성능, 고용량의 낸드 플래시 메모리 저장 장치의 필요성이 증가하고 있다. 하지만 고용량의 낸드 플래시 메모리를 사용하기 위해서는 하나의 셀에 더 많은 비트를 저장해줘야 하기 때문에 쓰기 성능이 나빠지게 된다. 이러한 고용량의 플래시 메모리의 성능 향상을 위해서 내부에 고성능 버퍼를 두는 방식이 있지만 제한된 버퍼의 크기가 다 차면 쓰기 성능이 급격하게 하락하는 현상이 발생한다. 따라서 한 번에 많은 쓰기 요청이 들어오면 좋은 쓰기 성능을 유지해줄 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해서 본 논문에서는 고용량의 3D 낸드 플래시 메모리에서 신뢰성 향상을 위해서 사용되었던 재프로그램 (Reprogram) 기법을 변형한 지연 재프로그램 (Lazy Reprogram) 기법을 제안한다. 제안한 기법에서는 기존에 재프로그램 방식에서 데이터 저장을 위해서 한 번에 프로그램 해주던 방식을 두 단계로 나눠서 프로그램 해준다. 제안하는 지연 재프로그램 기법을 사용하기 위해서 디바이스 평가를 통해 낸드 플래시 메모리의 데이터 보존 시간 모델을 구축하였다. 그리고 이 모델을 첫 번째 프로그램 단계를 수행할 때 이를 활용한다. 모델의 프로그램 시간을 통해 데이터를 써주게 되면 프로그램의 속도가 빠르지만 제한된 데이터 보존 시간을 갖게 된다. 그래서 두 번째 프로그램 단계는 첫 번째 프로그램 해준 데이터의 보존 시간이 지나서 데이터를 읽을 수 없게 되기 직전에 유효하게 남아있는 데이터에 대해서만 수행한다. 이러한 프로그램 방식을 실제 SSD 디바이스에서 사용할 수 있도록 기존의 페이지 레벨 FTL에 지연 재프로그램 관리 모듈을 추가하여서 지연 재프로그램 FTL을 구현하였다. 이 FTL에 추가한 모듈들이 두 번째 프로그램의 오버헤드를 효과적으로 감춰주도록 했다. 구현한 지연 재프로그램 FTL을 다양한 워크로드에서 실험한 결과 지연 재프로그램 기법을 통해 달성하고자 한 목표인 성능과 신뢰성 향상의 효과를 실험을 통해 확인했다.

Recent advent of data intensive applications such as data center, cloud service, the necessity of high-performance, high-capacity of NAND flash storage system has been increased. Since high-capacity NAND flash have to store more bit in one cell, the overall write performance is reduced. To improve the high-capacity flash memory's performance, the internal buffer is used, which can experience the rapid degradation when the buffer is full. Therefore, this buffer cannot guarantee the good performance if a lot of write requests by host arrive at the same time. To solve the problem, we suggested the Lazy Reprogram, which was modified from conventional reprogram scheme that was originally used to improve reliability of a high-capacity 3D NAND flash. The Lazy Reprogram will separate the conventional reprograming scheme into two-steps. To employ the Lazy Reprogram, we have built the NAND retention model by the device evaluation. Based on our NAND retention model, we have implemented a Lazy Reprogram FTL which takes full advantages of the Lazy Reprogram enabled flash device. By dynamically adjusting the length of an idle interval over changing workload characteristics, the effectiveness of Lazy Reprogram FTL can be maximized without additional overhead. Our experimental results show that the Lazy Reprogram FTL can improve the write throughput and flash reliability by up to 2.6 times and 31.2%, respectively.